110kV主變中性點過電壓保護配置的探討

吳斌

摘 要：文章介紹了110kV主變壓器中性點過電壓的各種可能情況，對各類過電壓保護方式作了分析和對比，介紹了110kV主變中性點過電壓保護配置的相關(guān)原則。

關(guān)鍵詞：中性點；過電壓；放電間隙；絕緣水平

1 引言

110kV系統(tǒng)屬于中性點有效接地的大接地電流系統(tǒng)。為防止通信干擾，滿足繼電保護配置要求，并考慮到單相短路時的短路電流以及零序電壓水平，通常只讓部分110kV變壓器中性點直接接地，而多數(shù)110kV變壓器的中性點并不直接接地運行。不接地變壓器的中性點在運行過程中可能會受到雷電、操作、工頻等各類過電壓的影響。另外，110kV及以上變壓器一般使用分級絕緣，中性點處的絕緣水平往往比較薄弱。因此在實際運行中，常常需要對不接地變壓器的中性點進行過電壓保護措施。本文分析了變壓器中性點過電壓現(xiàn)象及相關(guān)保護方式，討論了主變中性點過電壓保護相關(guān)配置原則。

2 中性點的過壓情況分析

電力系統(tǒng)的過電壓現(xiàn)象一般可分為三種情況：（1）雷電過電壓；（2）操作過電壓；（3）暫時過電壓，即工頻過電壓或諧振過電壓。

中性點不接地的變壓器，在雷電波從線路到達變壓器中不接的地中性點時，雷電波可能在中性點發(fā)生全反射，并產(chǎn)生幅值很高的雷電過電壓，危及變壓器中性點絕緣。標(biāo)準(zhǔn)的雷電波形并不一定都是由雷電發(fā)出，比如，單相接地時，可能在非接地相上產(chǎn)生出近似于雷電過電壓的短波前。對中性點雷擊過電壓，可以采用避雷器保護，一般按照變壓器的標(biāo)準(zhǔn)雷電波耐受水平，并考慮絕緣老化的累計效應(yīng)乘以系數(shù)0.85，得到的實際絕緣耐受水平大于避雷器的標(biāo)稱雷電沖擊放電電壓或殘壓。

暫時過電壓主要由單相接地故障和諧振等造成。在我國的標(biāo)準(zhǔn)中性點接地系統(tǒng)中，在不失去有效接地的情況下，一般單相接地故障的非故障相工頻過電壓不會超出線電壓的80%。但在110kV終端站中，不接地變壓器實際上形成了一個局部不接地系統(tǒng)，若單相間歇性電弧接地故障發(fā)生，按最高電壓126kV計算，主變中性點穩(wěn)態(tài)過電壓能達到73kV，暫態(tài)電壓則能達到132kV。

操作過電壓一般是因為繼電保護誤動或運行人員誤操作，使系統(tǒng)成為帶單相接地的中性點不接地系統(tǒng)，造成變壓器中性點的穩(wěn)定電壓升高至相電壓。操作過電壓主要發(fā)生在空載線路以及變壓器的開斷、重合等情況，包括當(dāng)成功和非成功的重合前線路曾經(jīng)發(fā)生單相接地時110kV線路的重合閘；開斷空載變壓器使斷路器強制熄弧截流產(chǎn)生的過電壓；隔離開關(guān)，尤其是操作GIS變電站空載母線時發(fā)生的重擊穿時產(chǎn)生的過電壓。以上情況都可能發(fā)生嚴重的過電壓，尤其是在雙側(cè)電源環(huán)境的斷路器非全相重合中性點不接地變壓器中，嚴重時中性點穩(wěn)態(tài)電壓將達到126kV。

3 過壓保護配置方式

3.1 單獨采用間隙保護

棒-棒放電間隙屬于極不均勻電場，從圖1的下面的特性曲線中可以看出，放電間隙在雷電過電壓、操作過電壓及工頻過電壓情況下都能對變壓器進行保護。另外，采用放電間隙保護的方法具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、運行維護量小的優(yōu)點。在110kV有效接地系統(tǒng)中可能形成局部不接地系統(tǒng)，且有可能產(chǎn)生較高的工頻過電壓，這時，應(yīng)該在變壓器不接地的中性點應(yīng)裝設(shè)間隙。

對變壓器中性點的過電壓情況單獨采用棒間隙保護是允許的，也在一些實際方案中得到了采用。但是這種方法在絕緣配合以及躲避單相接地的暫態(tài)過電壓問題時矛盾較為突出。而且放電間隙保護存在參數(shù)確定較為困難，放電分散性大，工頻續(xù)流較大以及滅弧能力較差等缺點。對于放電電壓分散性較大，放電后無法熄滅中性點持續(xù)工頻電弧等情況，通常要在經(jīng)過放電間隙的接地回路中連上零序電流保護，依靠斷路器跳閘來滅弧，但這會造成跳閘停電的問題。放電間隙在持續(xù)時間很短的雷電過電壓作用時，放電電壓要比作用時間較長的工頻放電電壓要高的多，因此與變壓器存在著伏秒特性配合較難的問題。由于放電間隙放電的弧電阻很小，其放電后形成截波的波尾極陡，對變壓器的線圈縱絕緣有較大的威脅，所以在變壓器中性點中一般不宜單獨使用放電間隙。另外，不對稱接地短路故障情況下，靠繼電保護切除故障時，存在工頻零序電流沖擊主變，其間隙放電的截波對主變的縱絕緣也會產(chǎn)生影響。

3.2 單獨采用避雷器保護

安裝在主變中性點的避雷器，主要能保護雷電過電壓和操作過電壓，對部分工頻過電壓能也有一定的限制作用。避雷器具有優(yōu)異的非線性伏安特性，陡波響應(yīng)特性較好，殘壓隨沖擊電流波頭的時變特性平穩(wěn)，不存在間隙的擊穿和滅弧問題，而且避雷器通流容量大、無續(xù)流、動作迅速、對主變沖擊小。但避雷器不能防護工頻過電壓，在較高的工頻過電壓下，常常自身難保；對于持續(xù)時間較長，超過其額定電壓的暫時過電壓（如工頻過電壓和諧振過電壓）也無能為力；另外避雷器保護需進行定期的預(yù)防性試驗，造成維護工作量大。

避雷器保護使用的主要有無間隙的氧化鋅避雷器和有間隙的普閥避雷器。氧化鋅避雷器與普閥避雷器相比有更多多優(yōu)點，更適合用于中性點非直接接地的主變中性點。不管使用哪一種避雷器都要求其額定電壓不低于避雷器安裝點的暫時過電壓，而終端站110kV變壓器中性點避雷器的額定電壓則一般不應(yīng)低于72.7kV。如果避雷器的額定電壓過低，在線路單相接地，主變失去中性點的過電壓出現(xiàn)后，閥式避雷器將無法滅弧而爆炸；氧化鋅避雷器也會因為在一次過電壓下吸收能量過多而劣化損壞。如果額定電壓過高，相應(yīng)的沖擊放電電壓和殘壓將會增大，會使保護設(shè)備的限壓效果變壞。

3.3 采用避雷器并聯(lián)間隙保護

由前面的分析可知，單獨采用放電間隙或者單獨采用避雷器來保護主變中性點絕緣是不可取的，應(yīng)該充分利用各自的優(yōu)勢，揚長避短來進行保護。避雷器并聯(lián)間隙保護是一種行之有效的方法。在該方法中，工頻過電壓和操作過電壓由間隙承擔(dān)，雷電過電壓和暫態(tài)過電壓由避雷器承擔(dān)，采用間隙來限制避雷器上可能出現(xiàn)的幅值過高的工頻過電壓以及過高的殘壓。這種方式既能對變壓器的中性點起到保護作用，又能使間隙和避雷器形成相互保護。但避雷器并聯(lián)間隙保護方案在間隙與避雷器配合時，間隙的距離不大容易控制。距離既不能太小，以防在接地暫態(tài)過電壓下，造成保護裝置過多的動作；也不能太大，否則將起不到限制工頻過電壓及保護避雷器的效果。

避雷器并聯(lián)間隙的選擇一般要滿足下面兩式的要求：

避雷器并聯(lián)間隙的選擇方法如下：

首先，根據(jù)被保護變壓器的中性點的耐受雷電電壓水平Uln值，由式（1）選擇出合適的避雷器，從而確定避雷器的峰值等效電壓值Uk的大小。

然后根據(jù)式（1）選擇適當(dāng)距離的間隙，從而確定了間隙的負極性的50%雷電放電電壓-U50%，然后檢查Uln，<-U50%的條件是否被滿足并具有一定的裕度。

4 結(jié)束語

本文簡要介紹了110kV變壓器中性點不接地時可能出現(xiàn)的過電壓形式，分析了單用棒間隙保護和單用避雷器保護變壓器中性點的優(yōu)勢和不足，討論了避雷器并聯(lián)間隙保護的配置方案及其實施方式。對局部不接地情況下110kV變壓器及220kV變壓器的中性點保護配置具有一定的參考價值。

參考文獻

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